黃河中游大型煤炭基地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)思路和方法

范立民，吳群英，彭 捷，遲寶鎖，孫 魁，王宏科，郭佐寧，寧奎斌，劉 水，李 成，趙小峰，田水豹，李 博，陳建平，高 帥,2，仵撥云,2，姬怡微,2，鄭苗苗,2，杜江麗

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054; 3.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000; 4.西安捷達(dá)測(cè)控有限公司，陜西 西安 710054)

我國(guó)黃河流域分布有9個(gè)大型煤炭基地，原煤產(chǎn)量約占全國(guó)的70%[1]，其中位于鄂爾多斯盆地北部的神東、陜北煤炭基地地處黃河中游生態(tài)脆弱區(qū)，減輕煤炭開發(fā)中的生態(tài)環(huán)境損傷，無疑是這一區(qū)域的重要任務(wù)。近年來，我國(guó)學(xué)者針對(duì)西部煤礦區(qū)綠色開采、水資源保護(hù)與生態(tài)修復(fù)開展了大量卓有成效的工作，取得了重要進(jìn)展[2-7]，初步建立了以水資源保護(hù)和利用為核心的煤炭綠色開采技術(shù)體系[8-13]，建立了陜西境內(nèi)3個(gè)大型煤炭基地的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)[14]，促進(jìn)了水資源與生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

煤炭綠色開采，就是以先進(jìn)的采煤技術(shù)最大限度減輕采煤的環(huán)境損傷，促進(jìn)采煤與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)一致。而自然環(huán)境損傷的過程，需要建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整煤炭開采方式，淘汰對(duì)環(huán)境損傷大的采煤技術(shù)，推廣對(duì)環(huán)境損傷小和無損傷的采煤技術(shù)?；谶@一需求，在黃河中游高強(qiáng)度采煤區(qū)，建立包括多參數(shù)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境，成為新時(shí)代大型煤炭基地健康發(fā)展的必然選擇。然而，盡管各礦區(qū)都建立了不同參數(shù)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也形成了較為系統(tǒng)的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)[14]，但有關(guān)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)的系統(tǒng)報(bào)道相對(duì)較少。

筆者以黃河中游陜北侏羅紀(jì)煤田(包含神東、陜北煤炭基地)為例，探討高強(qiáng)度采煤條件下地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)問題，以促進(jìn)黃河中游煤炭基地綠色開發(fā)和持續(xù)發(fā)展。

1 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選擇

黃河中游的神東、陜北煤炭基地近年來快速發(fā)展，形成了以綜采為主的千萬(wàn)噸級(jí)煤礦集群，年生產(chǎn)能力接近5億t，千萬(wàn)噸級(jí)別的礦井有大柳塔、石圪臺(tái)、哈拉溝、錦界、榆家梁、檸條塔、紅柳林、張家峁、小保當(dāng)一號(hào)、金雞灘、杭來灣、榆樹灣等近20處煤礦，2020年原煤產(chǎn)量5.17億t，占全國(guó)的13%以上，其健康發(fā)展和持續(xù)開發(fā)，對(duì)國(guó)家能源安全、生態(tài)安全具有重要意義。

1.1 黃河中游煤炭基地地質(zhì)環(huán)境特征

地質(zhì)環(huán)境有廣義和狹義之分，廣義上，地質(zhì)環(huán)境是自然環(huán)境的一種，指由土壤圈、巖石圈和水圈組成的環(huán)境系統(tǒng)。在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史演化過程中，土壤圈和巖石圈之間、巖石圈和水圈之間、土壤圈和水圈之間進(jìn)行物質(zhì)遷移和能量轉(zhuǎn)換，組成了一個(gè)相對(duì)平衡的開放系統(tǒng)。人類和其他生物依賴地質(zhì)環(huán)境生存發(fā)展，同時(shí)，人類和其他生物又不斷改變著地質(zhì)環(huán)境。本文所指地質(zhì)環(huán)境是狹義上的，指煤礦區(qū)巖石圈(最下部一層可采煤層以上至地表)、水圈(地下水、地表水)、土壤圈組成的環(huán)境系統(tǒng)，其中巖石圈(煤)受到人為擾動(dòng)(高強(qiáng)度開采)，影響到地表并波及水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)包括煤層及其賦存環(huán)境、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等。

1.1.1煤層賦存的地質(zhì)環(huán)境

研究區(qū)煤層賦存于侏羅系碎屑巖中，以往勘查資料證實(shí)，本區(qū)賦存5層主要可采煤層，即1-2，2-2，3-1，4-2和5-2煤層[15]，其中淺部的1-2,2-2及3-1煤層埋藏深度0～200 m，是目前的主要可采煤層，在窟野河、禿尾河沿岸有出露，各煤層之間的間距20～80 m，一般30～50 m，煤層厚度一般3～5 m，2-2煤層最大厚度可達(dá)13 m。煤層頂板為泥巖與砂巖互層組成的隔水巖組，部分地段砂巖厚度大，分布廣泛時(shí)可形成弱富水的含水層，上覆是紅土、黃土隔水層及薩拉烏蘇組松散沙含水層，典型煤層～含(隔)水層組合有4種類型，即孤立小型含水盆地型煤水組合、較強(qiáng)含水層下無隔水層型煤水組合、含水層隔水層共生型煤水組合及燒變巖型煤水組合[6]。

1.1.2地下水環(huán)境

礦區(qū)水資源貧乏，主要含水層是薩拉烏蘇組含水層、燒變巖含水層，西部分布有洛河組含水層，近期研究發(fā)現(xiàn)，直羅組含水層在煤炭基地大部分區(qū)域分布，厚度大，富水性中等—弱，但在榆神府礦區(qū)西部卻是一些大水礦井形成的主要水源[16]。

薩拉烏蘇組含水層分布廣泛，與全新統(tǒng)風(fēng)積沙形成一個(gè)含水層，含水層厚度一般10～50 m，最大175 m，在榆神礦區(qū)、神東礦區(qū)的部分地段形成強(qiáng)富水含水層，是礦井突水潰沙的主要水動(dòng)力來源，也是窟野河流域、禿尾河沿岸煤礦突水的主要水源。

燒變巖含水層是地質(zhì)歷史時(shí)期煤層自燃，圍巖受到烘烤形成的裂隙、孔洞發(fā)育的特殊類型巖石，在陜北侏羅紀(jì)煤田分布于溝谷沿岸，分布面積約1 085 km2，通過沙層接受大氣降水補(bǔ)給，在溝谷西岸往往形成強(qiáng)富水區(qū)段，水質(zhì)良好，礦化度小于0.5 g/L，是部分煤礦突水的主要水源。

洛河組含水層分布于陜蒙邊界一帶，厚度0～222 m，一般100 m，是區(qū)域上的主要含水層，目前尚未受煤礦開采擾動(dòng)的影響。

直羅組含水層分布于活雞兔—檸條塔—錦界—瑤鎮(zhèn)一線以西和榆神礦區(qū)大部分地區(qū)，厚度30～50 m，富水性中等到弱，但由于分布面積大，補(bǔ)給充分，在煤田東南部邊界一帶形成排泄區(qū)，這一帶煤層開采，該含水層受擾動(dòng)強(qiáng)烈，往往成為礦井涌(突)水的主要水源，我國(guó)礦井涌水量最大的煤礦——錦界煤礦礦井涌水水源主要來自該含水層。

1.1.3地表水環(huán)境

本區(qū)黃河一級(jí)支流主要有窟野河、禿尾河和無定河(上游為榆溪河)，各河流支流發(fā)育，水源主要來自于薩拉烏蘇組、燒變巖和侏羅系砂巖含水層，部分來自黃土弱含水層，各含水層以泉的形式排泄形成溪流，溪流匯集形成窟野河等一級(jí)支流，并最終匯入黃河。

1.1.4生態(tài)環(huán)境

區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被覆蓋度低，植被對(duì)地下水的依賴性較強(qiáng)，典型植被有沙柳、沙蒿、旱柳、小葉楊、檸條等，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明，這些植被依賴的地下水位埋深一般1.5～5.0 m，水位埋深大于15 m時(shí)，植被基本無法再正常發(fā)育生長(zhǎng)[17-18]，植被覆蓋度較低。近年來，隨著礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理，植被覆蓋度顯著增加，如紅柳林煤礦2016年植被覆蓋度與2008年相比明顯增大(圖1)。

圖1 紅柳林煤礦2008，2016年植被發(fā)育的遙感監(jiān)測(cè)Fig.1 Remote sensing monitoring map of vegetation development in hongliulin coal mine in 2008 and 2016

1.2 黃河中游采煤對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)及體現(xiàn)指標(biāo)

黃河中游煤炭開采特點(diǎn)是大采高、大開采工作面，開采強(qiáng)度高，單位面積的原煤產(chǎn)量大，煤炭開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)強(qiáng)度大，主要體現(xiàn)在頂板損害強(qiáng)度大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大，對(duì)主要含水層擾動(dòng)強(qiáng)度大，造成了地下水位區(qū)域性下降，部分區(qū)域泉水干涸，植被枯萎或死亡。

1.2.1地下水位持續(xù)下降

煤田開發(fā)前，筆者所在的陜西省一八五煤田地質(zhì)勘探隊(duì)曾對(duì)全區(qū)進(jìn)行了1∶50 000、1∶10 000煤田水文地質(zhì)測(cè)繪，系統(tǒng)調(diào)查了區(qū)內(nèi)潛水水位埋深和泉流量，發(fā)現(xiàn)潛水位埋深一般小于15 m，這也符合生態(tài)水位合理埋深的需求[3，19]，這一水位埋深，涵養(yǎng)了毛烏素沙地并不豐富的植被資源。20世紀(jì)八九十年代，煤田開發(fā)初期，出現(xiàn)了抽水試驗(yàn)大降深鉆孔周邊、突水潰沙礦井附近水位下降、植被枯萎死亡的現(xiàn)象[3，5]，該現(xiàn)象引起筆者關(guān)注并由此提出了大規(guī)模煤炭開發(fā)引起生態(tài)災(zāi)難的擔(dān)憂，保水采煤理念也正是誕生于這一背景。2015年筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)礦區(qū)潛水位埋深進(jìn)行了重新調(diào)查，534個(gè)調(diào)查點(diǎn)編繪的潛水埋深等值線圖發(fā)現(xiàn)，窟野河、禿尾河沿岸潛水位下降明顯，下降幅度大于8 m的面積達(dá)到758.9 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的7.3%，全部位于煤炭高強(qiáng)度開采區(qū)，其他73%的未采煤區(qū)潛水位未下降，可見煤炭開發(fā)對(duì)潛水位的擾動(dòng)是顯著的[20]。近期發(fā)現(xiàn)，金雞灘煤礦等煤層埋深較大、第四系下部紅土層厚度大的區(qū)域，煤炭開采后，由于地表沉陷導(dǎo)致潛水位埋深相對(duì)變小，局部形成了濕地、湖淖，也影響了沙漠植被發(fā)育。

1.2.2泉水?dāng)嗔骱透珊?/p>

據(jù)20世紀(jì)90年代的調(diào)查數(shù)據(jù)，榆神府礦區(qū)8 971.5 km2范圍內(nèi)有記錄的泉2 580處，總流量4 997.059 7 L/s，這些泉是黃河中游的主要補(bǔ)給源。2015年對(duì)其逐一進(jìn)行了調(diào)查、測(cè)流，發(fā)現(xiàn)僅存376處有水，總流量996.392 L/s，其余均干涸[21]。

1.2.3河流流量銳減

淺埋煤層高強(qiáng)度開采對(duì)地表水系的擾動(dòng)和影響，20 a前就引起了筆者及團(tuán)隊(duì)關(guān)注，并持續(xù)關(guān)注了20多年，如窟野河1998年曾是CCTV-1天氣預(yù)報(bào)的洪峰預(yù)報(bào)點(diǎn)，但從2000年就出現(xiàn)了斷流，以后斷流時(shí)間不斷延長(zhǎng)，2002年斷流天數(shù)達(dá)到220 d，2003—2005年斷流天數(shù)均超過了150 d?？咭昂由嫌问菫跆m木倫河和悖牛川。烏蘭木倫河水系有朱蓋溝、廟溝、考考烏素溝等支溝，自西向東匯入烏蘭木倫河;悖牛川水系有三不拉溝、烏蘭色太溝、丁其溝等從西北向東處匯入悖牛川，大部分支溝出現(xiàn)了斷流現(xiàn)象(圖2)。例如，雙溝是窟野河上游烏蘭木倫河的一個(gè)支流，溝長(zhǎng)5.6 km，多年平均泉流量7 344 m3/d。1993年開始對(duì)泉域范圍內(nèi)的地下煤層進(jìn)行開采，1997年泉眼干枯，河溝間歇性斷流，水澆地變?yōu)楹档?。煤田開發(fā)前，枯水期神木縣永興溝流量為0.2 m3/s、黃羊城溝為0.1 m3/s、西溝為0.3 m3/s、王洛溝為0.15 m3/s，2015年夏季豐水期，調(diào)查組對(duì)幾大主要支溝進(jìn)行了流量測(cè)定，流量衰減顯著(圖3)[22-24]。

圖2 煤炭開發(fā)前后水系變化示意(紅色是2015年調(diào)查時(shí)的干涸水系)Fig.2 Schematic diagram of water system changes before and after coal development (red is the dry water system at the time of investigation in 2015)

圖3 煤炭開發(fā)前、后部分溝谷流量變化Fig.3 Change of flow in some gullies before and after coal development

1.2.4水庫(kù)干涸

窟野河上游的石圪臺(tái)村，機(jī)械化開采2-2上煤，煤層厚度5 m，埋深約50 m，形成塌陷區(qū)，原水庫(kù)壩頂于2014年2月開始塌陷，發(fā)育裂縫群，間隔5～6 m，走向150°～330°，長(zhǎng)1～2 m，寬0.2～2.0 m，深1～2 m，水庫(kù)于2009年開始漏水，2010年被迫棄用;水庫(kù)下游耕地可見多條平行裂縫，走向150°～330°，寬約0.3 m，深1 m，原水流流向?yàn)?70°，現(xiàn)已倒流;石圪臺(tái)村7組居民家中屋頂及墻體均有不同程度開裂，出現(xiàn)時(shí)間為2012年11月。該煤礦目前仍在開采?，F(xiàn)狀穩(wěn)定性差，預(yù)測(cè)趨勢(shì)不穩(wěn)定，威脅46戶、136人、500畝(1 hm2=15畝)耕地、5 000 m公路，險(xiǎn)情規(guī)模中型，高危險(xiǎn)(圖4，5)。

圖4 石圪臺(tái)煤礦地面塌陷示意Fig.4 Ground collapse diagram of shigetaicoal mine

1.2.5黃土溝壑、沙漠區(qū)地表?yè)p害嚴(yán)重

2015年榆神府礦區(qū)已形成采空區(qū)面積421.993 4 km2，引發(fā)地面塌陷101處，塌陷面積133.561 8 km2。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2015年，已造成48間房屋、1 943.2畝耕地、13 981.75畝林地、113 952.6畝草地、2 701 m公路受損(圖6)和23 631.28畝(1 hm2=15畝)其他土地(圖7)。范立民、侯恩科等[25-26]對(duì)區(qū)內(nèi)采煤造成的地裂縫、地面沉降發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了調(diào)查和研究，揭示了其形成機(jī)理。

圖5 地面塌陷導(dǎo)致柳根溝水庫(kù)干涸Fig.5 Picture of liugengou reservoir drying up due to ground collapse

圖6 煤礦地面塌陷損毀道路、草地、農(nóng)田和房屋Fig.6 Pictures of road,grassland,farmland and houses damaged by coal mine ground collapse

圖7 沙漠地區(qū)煤礦開采地面塌陷損毀植被Fig.7 Pictures of vegetation damaged by ground collapse caused by coal mining in desert area

1.3 黃河中游地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

鑒于黃河中游煤炭基地大規(guī)模煤炭開發(fā)對(duì)地質(zhì)環(huán)境擾動(dòng)情況，確定主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)層為水文水資源、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、巖層變形及其他因素等。

(1)水文水資源。主要監(jiān)測(cè)礦區(qū)河流的流量、湖淖(水庫(kù))的水位及積水量、地下水水位與水溫水質(zhì)等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位選擇方面，要充分考慮采煤對(duì)其影響規(guī)律。河流監(jiān)測(cè)在進(jìn)入、流出礦區(qū)的地方各設(shè)置一個(gè)測(cè)流點(diǎn)。湖淖(水庫(kù))監(jiān)測(cè)要設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各點(diǎn)位的水位標(biāo)高、積水深度等參數(shù)，便于計(jì)算積水量。地下水監(jiān)測(cè)以能夠控制地下水流場(chǎng)為原則進(jìn)行布點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定期采取水樣，化驗(yàn)測(cè)試水質(zhì)指標(biāo)。

(2)生態(tài)環(huán)境。主要監(jiān)測(cè)植被覆蓋度、植被種群及生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，采用遙感監(jiān)測(cè)、無人機(jī)定期監(jiān)測(cè)結(jié)合的方法。一般每年監(jiān)測(cè)2次，遙感監(jiān)測(cè)實(shí)行全域覆蓋(即監(jiān)測(cè)煤炭基地全部范圍)，無人機(jī)監(jiān)測(cè)采用典型區(qū)段監(jiān)測(cè)，解剖典型區(qū)段，找出植被生態(tài)環(huán)境發(fā)育演化特征。

(3)地質(zhì)災(zāi)害。監(jiān)測(cè)參數(shù)包括地面變形、地裂縫、地面塌陷、崩塌、滑坡等，采用在線監(jiān)測(cè)，對(duì)采煤工作面上方及影響區(qū)部署監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面變形、地裂縫、地面沉降的參數(shù)，對(duì)斜坡地段，部署斜坡變形儀，監(jiān)測(cè)斜坡變形參數(shù)。對(duì)高陡邊坡，可部署在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)邊坡的變形參數(shù)和坡后緣裂縫發(fā)育等。

(4)巖層變形。主要監(jiān)測(cè)采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育形態(tài)及其對(duì)地下水、地表植被的損傷。

(5)其他要素監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)礦區(qū)道路、工業(yè)廣場(chǎng)、排矸場(chǎng)等對(duì)土地資源的損毀等。

2 監(jiān)測(cè)區(qū)域分級(jí)分區(qū)

2.1 開采擾動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)

根據(jù)煤炭開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)強(qiáng)度，將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為強(qiáng)烈擾動(dòng)區(qū)、一般擾動(dòng)區(qū)、近期影響區(qū)(國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)(礦井))和無擾動(dòng)區(qū)(含煤而未規(guī)劃的區(qū)域)，其中擾動(dòng)區(qū)是在建、生產(chǎn)的煤礦采礦權(quán)范圍內(nèi)，無擾動(dòng)區(qū)是煤炭基地未開采區(qū)(表1)。

強(qiáng)烈擾動(dòng)區(qū)，分布于生產(chǎn)礦井正在開采的工作面上方、矸石堆積區(qū)域、工業(yè)廣場(chǎng)等區(qū)域，煤炭開采覆巖損傷最嚴(yán)重，地面變形強(qiáng)烈，地下水滲漏現(xiàn)象明顯，對(duì)植被的損傷顯著，對(duì)土地資源損毀嚴(yán)重，是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和防控的區(qū)域。

一般擾動(dòng)區(qū)，分布于強(qiáng)烈擾動(dòng)區(qū)以外的生產(chǎn)、在建礦井礦權(quán)范圍內(nèi)，煤炭開采地面變形不明顯，地下水位可能出現(xiàn)下降，對(duì)植被有一定的損傷。

無擾動(dòng)區(qū)是指已經(jīng)經(jīng)過國(guó)家有關(guān)部門批準(zhǔn)為規(guī)劃礦井但尚未開采的區(qū)域，是近期可能開發(fā)的區(qū)域，或者是含煤盆地范圍內(nèi)，未經(jīng)國(guó)家有關(guān)部門規(guī)劃開采的含煤區(qū)域，是遠(yuǎn)期可能開發(fā)的區(qū)域。

2.2 監(jiān)測(cè)精度分區(qū)

根據(jù)采煤對(duì)地質(zhì)環(huán)境擾動(dòng)的強(qiáng)度，分別進(jìn)行不同精度的監(jiān)測(cè)分區(qū)，其中強(qiáng)烈擾動(dòng)區(qū)，對(duì)應(yīng)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)區(qū)，一般擾動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)核心監(jiān)測(cè)區(qū)，無擾動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)一般監(jiān)測(cè)區(qū)(表1)。

表1 黃河中游煤炭綠色開采監(jiān)測(cè)分級(jí)方案Table 1 Monitoring and classification scheme for green coal mining in the middle reaches of the Yellow River

(1)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)區(qū)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括所有地質(zhì)環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測(cè)手段采用實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)獲取連續(xù)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)參數(shù)多，監(jiān)測(cè)精度高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接反應(yīng)采煤對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)程度。

(2)核心監(jiān)測(cè)區(qū)，是精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)區(qū)外圍已經(jīng)設(shè)置了采礦權(quán)的區(qū)域，受地下開采擾動(dòng)強(qiáng)度弱，主要是地表煤礦建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響，因此，監(jiān)測(cè)指標(biāo)和精度略低于精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)區(qū)。

(3)一般監(jiān)測(cè)區(qū)，是沒有開采的含煤區(qū)域，屬于無擾動(dòng)區(qū)，因此，只監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境和地面建設(shè)情況。

3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)與實(shí)施

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)建設(shè)目標(biāo)是通過建設(shè)覆蓋礦區(qū)的多參數(shù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控礦區(qū)水文水資源動(dòng)態(tài)、生態(tài)環(huán)境演化、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育以及礦井排放物及其對(duì)環(huán)境的影響，為環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)。

3.1 建設(shè)目標(biāo)

近期目標(biāo)是通過建立覆蓋礦區(qū)的水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、井下開采監(jiān)測(cè)系統(tǒng);建成集數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)、預(yù)警預(yù)報(bào)為一體的智能化、可視化的綠色開采大數(shù)據(jù)平臺(tái);形成支撐煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的決策系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)的支撐平臺(tái)、開采后生態(tài)環(huán)境時(shí)空演化規(guī)律的科學(xué)研究平臺(tái)、政府科學(xué)決策和制度出臺(tái)的科學(xué)支撐平臺(tái)。

遠(yuǎn)期目標(biāo)是建立基于資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的綠色開采指標(biāo)體系，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，找出資源開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的平衡點(diǎn)，以此調(diào)整優(yōu)化資源開發(fā)布局和方式，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)向好、產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)的良性發(fā)展。

3.2 技術(shù)路線

在全面搜集地質(zhì)環(huán)境資料、開采資料以及其他資料的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)礦山環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，查明目前存在的地質(zhì)環(huán)境問題，建立起礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、水資源、生態(tài)環(huán)境問題等監(jiān)測(cè)體系;以礦山已有智能化數(shù)字礦山平臺(tái)為基礎(chǔ)，開發(fā)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析處理、預(yù)警預(yù)報(bào)、智能化展示為一體的綠色開采大數(shù)據(jù)平臺(tái)(圖8)。

3.3 總體思路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1總體思路

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)是進(jìn)行數(shù)據(jù)治理建設(shè)，本著以開放式技術(shù)為主導(dǎo)，以成熟軟件平臺(tái)為依托，以業(yè)務(wù)融合技術(shù)方式開展設(shè)計(jì)工作。

3.3.2總體設(shè)計(jì)

(1)平臺(tái)架構(gòu)。為了保證建設(shè)完成的系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性、整體性以及功能的完備性，需要按照先進(jìn)性和合理性原則，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，這個(gè)規(guī)劃的層次是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在宏觀中的地位的把握。

(2)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析技術(shù)為主要手段，通過統(tǒng)一訪問門戶為手段，通過統(tǒng)一訪問門戶為用戶提供各類數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)的信息系統(tǒng)。

系統(tǒng)的應(yīng)用建設(shè)可以歸納為元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)落地、數(shù)據(jù)質(zhì)量管控、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)等模塊。系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖9所示。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，支持集中式部署模式，從系統(tǒng)的技術(shù)體系構(gòu)成和業(yè)務(wù)應(yīng)用的角度出發(fā)，從邏輯上自底向上可以劃分為數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)治理層、應(yīng)用訪問層：

(1)數(shù)據(jù)源層是為整個(gè)平臺(tái)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。主要包括源數(shù)據(jù)接入?yún)^(qū)、ODS層、應(yīng)用匯總層及數(shù)據(jù)集市層。

(2)數(shù)據(jù)治理層是進(jìn)行數(shù)據(jù)治理工作的核心，主要包括元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量等。通過對(duì)元數(shù)據(jù)的梳理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與落地、數(shù)據(jù)質(zhì)量的探查與整改，進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)治理工作。同時(shí)，數(shù)據(jù)治理層還可包括主數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析提供有效支撐。

(3)應(yīng)用訪問層是以報(bào)表工具、ETL工具、應(yīng)用中間件為支撐，提供各類報(bào)表分析服務(wù)。訪問層面向用戶提供信息訪問服務(wù)，支持用戶通過瀏覽器訪問。

3.3.3技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

整體的技術(shù)架構(gòu)可分為3層，分別是應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層(圖10):

圖10 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.10 Platform technology architecture design

(1)應(yīng)用層是系統(tǒng)在面向使用用戶的終端設(shè)備提供相應(yīng)客戶端技術(shù)，如AJAX，XML，CSS等。

(2)服務(wù)層是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境，在應(yīng)用服務(wù)器上搭載新報(bào)表系統(tǒng)，其中包含運(yùn)行中間件，J2EE架構(gòu)技術(shù)。運(yùn)行中間件可支持主流的java運(yùn)行的中間件，如Weblogic,WebSphere,Tomcat等;J2EE架構(gòu)技術(shù)是指系統(tǒng)中所應(yīng)用的J2EE相關(guān)技術(shù)指標(biāo);系統(tǒng)平臺(tái)中包含了所使用的基礎(chǔ)組件，如采集組件、分析組件、門戶組件等。

(3)數(shù)據(jù)層是用于存儲(chǔ)系統(tǒng)所引入和產(chǎn)生數(shù)據(jù)的，系統(tǒng)支持Oracel，Mysql，Sqlserver，DB2等不同類型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠滿足用戶不同的數(shù)據(jù)收集、管理、利用的需求。

3.3.4數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

主要包括通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、數(shù)據(jù)處理應(yīng)用、數(shù)據(jù)邏輯分布及對(duì)外數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)4部分(圖11)。

圖11 平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.11 Platform data architecture design

4 結(jié) 論

(1)高強(qiáng)度煤炭開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境損害較大，近年來推廣了保水采煤等新技術(shù)，促進(jìn)了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，但煤炭高強(qiáng)度開采區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)起步較晚，還沒有形成完善的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

(2)提出了開采擾動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)精度分級(jí)體系，厘定了不同開采強(qiáng)度條件下監(jiān)測(cè)的參數(shù)和監(jiān)測(cè)方法，為科學(xué)評(píng)價(jià)煤炭開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng)提供技術(shù)參數(shù)。

(3)提出了煤炭基地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)思路，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)提供了基礎(chǔ)。